EP0597804A1

EP0597804A1 - Verdrängermaschine nach dem Spiralprinzip

Info

Publication number: EP0597804A1
Application number: EP93810745A
Authority: EP
Inventors: Gregor Jetzer; Roland Kolb; Fritz Spinnler
Original assignee: Aginfor AG fuer industrielle Forschung; Aginfor AG
Current assignee: Aginfor AG
Priority date: 1992-11-07
Filing date: 1993-10-21
Publication date: 1994-05-18
Anticipated expiration: 2013-10-21
Also published as: DE59300185D1; EP0597804B1; US5362217A

Abstract

Bei einer Verdrängermaschine für kompressible Medien mit einem in einem feststehenden Gehäuse angeordneten spiralförmigen Förderraum ist diesem ein spiralförmiger Verdrängerkörper (1-4) zugeordnet. Dieser ist auf einem gegenüber dem Gehäuse exzentrisch antreibbaren scheibenförmigen Läufer derart gehalten, dass während des Betriebes jeder seiner Punkte eine von den Umfangswänden des Förderraumes begrenzte Kreisbewegung ausführt. Die an eine Seitenwand des Förderraums angrenzenden Stirnflächen des Verdrängerkörpers sind mit einer Nut (30) versehen, in der ein aus elastischem und gleitfähigen Material bestehender Dichtstreifen (9) einliegt. Die Nut (30) hat zumindest teilweise einen mäanderartigen Verlauf. <IMAGE>

Description

Gebiet der Erfindung

Verdrängermaschine für kompressible Medien mit wenigstens einem in einem feststehenden Gehäuse angeordneten spiralförmigen Förderraum, und einem dem Förderraum zugeordneten spiralförmigen Verdrängerkörper, der auf einem gegenüber dem Gehäuse exzentrisch antreibbaren scheibenförmigen Läufer derart gehalten ist, dass während des Betriebes jeder seiner Punkte eine von den Umfangswänden des Förderraumes begrenzte Kreisbewegung ausführt, und dessen Krümmung gegenüber derjenigen des Förderraumes so bemessen ist, dass er die inneren und äusseren Umfangswände des Förderraumes an jeweils mindestens einer beim Betrieb kontinuierlich fortschreitenden Dichtungslinie nahezu berührt, wobei die an eine Seitenwand des Förderraums angrenzenden Stirnflächen des Verdrängerkörpers mit einer Nut versehen sind, in der ein aus elastischem und gleitfähigen Material bestehender Dichtstreifen einliegt.

Stand der Technik

Verdrängermaschinen der Spiralbauart sind durch die DE-C-26 03 462 bekannt. Ein nach diesem Prinzip aufgebauter Verdichter zeichnet sich durch eine nahezu pulsationsfreie Förderung des bespielsweise aus Luft oder einem Luft-Kraftstoffgemisch bestehenden gasförmigen Arbeitsmittels aus und könnte daher unter anderem auch für Aufladezwecke von Brennkraftmaschinen mit Vorteil herangezogen werden. Während des Betriebes eines solchen Kompressors werden entlang der Verdrängerkammer zwischen dem spiralförmig ausgebildeten Verdrängerkörper und den beiden Umfangswänden der Verdrängerkammer mehrere, etwa sichelförmige Arbeitsräume eingeschlossen, die sich von dem Einlass durch die Verdrängerkammer hindurch zum Auslass hin bewegen. Hierbei verringert sich ihr Volumen zunehmend bei einer entsprechenden Erhöhung des Arbeitsmitteldruckes. Die Dichtung zwischen den Arbeitsräumen oberhalb und unterhalb des Verdrängers ist hierbei von massgebender Bedeutung.
Eine Verdrängermaschine der eingangs genannten Art ist bekannt aus der US 3,994,636. Um eine effektive radiale Abdichtung zwischen den Stirnflächen des Verdrängers und den Seitenwänden des Förderraumes zu erzielen, ist eine wirksame axiale Berührung zwischen den den beiden Elementen vorzunehmen. Hierzu wird der Verdränger an seiner Stirnseite mit einer Nut versehen, die Sitz ist für einen darin einliegenden Dichtstreifen. Dieser Dichtstreifen besteht aus einem elastischen, gleitfähigem Material und ist so bemessen, dass er innerhalb der Nut axial und geringfügig radial bewegbar ist. Der Dichtstreifen ist unterlegt von einem kraftausübenden Federelement.
Die Nut bewirkt eine einwandfreie seitliche Führung des darin eingelegten Dichtstreifens. Die Positionierung des Dichtstreifens in Längsrichtung der Nut erfolgt durch die Enden der in den spiralförmigen Wänden eingearbeiteten Nut. Die so ausgeführte Positionierung genügt den im Betrieb auf die in den Gehäusen eingelegten Dichtstreifen auftretenden Belastungen. Der Dichtstreifen ist hinreichend "gefangen". Bei den im Verdränger in die stirnseitig an den spiralförmigen Leisten angebrachten Nuten eingelegten Dichtstreifen treten im Betrieb der Spiralmaschine Beschleunigungskräfte auf, die durch die kreisende Bewegung des Verdrängers hervorgerufen werden. Diese Belastungen haben eine kreisende Einwirkrichtung auf die Dichtstreifen; d.h. die Trägheitskräfte wirken relativ zum Dichtstreifen nicht in einer Richtung auf diesen ein, sondern in der Ebene der Dichtstreifennut kreisend. Dementsprechend verändern auch die Reaktionskräfte auf den Dichtstreifen ihre Richtung. Die Querkomponente kann gut durch die seitlichen Wände der Nut aufgebracht werden; durch die Längskomponente der Reaktionskräfte wird der Dichtstreifen in der Nut vor- und rückwärts bewegt, wobei die Enden der Nut den Anschlag für die Relativbewegung bilden.
Bei höheren Betriebsdrehzahlen wachsen die beschriebenen Reaktionskräfte an, wobei insbesondere die beschriebene und dem Stand der Technik entsprechende Längsführung der Dichtstreifen nicht mehr den auftretenden Reaktionskräften genügt. Die ständig ihre Richtung wechselnde Längskomponente der auf die Dichtstreifen wirkenden Reaktionskraft führt zu einer Hin-und Herbewegung des Dichtstreifens in der Nut, was einen erhöhtem Verschleiss der Dichtstreifen oder der Wände der Nut zur Folge haben kann.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, bei einer Rotationskolben-Verdrängermaschine der eingangs genannten Art die Nut hinsichtlich einer besseren Längsführung des Dichtstreifens und einer Verringerung der Verschleisserscheinungen zu gestalten.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass die Nut, welche den zur Abdichtung des Förderraumes in axialer Richtung notwendigen Dichtstreifen aufnimmt, zumindest teilweise einen mäanderartigen Verlauf hat.
Der Vorteil der Erfindung besteht einerseits in der Wirksamkeit der neuen Nutform und andererseits in der Einfachheit deren Herstellung. Diese Wirksamkeit ist dadurch gegeben, dass der Dichtstreifen ursprünglich als gerades Bauteil gefertigt ist und nach dem Einlegen durch seine Elastizität ein Festhalten in der Längsrichtung der Dichtstreifennut auftritt.
Es ist besonders zweckmässig, wenn die Dichstreifennut nur am austrittsseitigen Ende mit dem mäanderförmigen Verlauf ausgebildet ist. Hierdurch kann der radiale Platzbedarf in Grenzen gehalten werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt.
Es zeigen:

Fig. 1: einen Längsschnitt durch eine Verdrängermaschine;
Fig. 2: eine Ansicht des Verdrängerkörpers der Verdrängermaschine;
Fig. 3: eine perspektivische Darstellung eines in eine Spiralwand/-leiste eingelegten Dichtstreifens.

Weg zur Ausführung der Erfindung

Zwecks Erläuterung der Funktionsweise des Verdichters, welche nicht Gegenstand der Erfindung ist, wird auf die DE-C3-2 603 462 verwiesen. Nachstehend wird nur der für das Verständnis notwendige Maschinenaufbau und Prozessablauf kurz beschrieben.
Mit 1 ist der scheibenförmige Verdränger der Maschine bezeichnet. An beiden Seiten der Scheibe 2 sind je zwei, um 180° zueinander versetzte, spiralförmig verlaufende Leisten angeordnet. Es handelt sich um die Leisten 3a, 3b, die senkrecht auf der Scheibe 2 gehalten sind. Die Spiralen selbst sind im gezeigten Beispiel aus mehreren, aneinander anschliessenden Kreisbögen gebildet.
Mit 4 ist die Nabe bezeichnet, über welche die Scheibe 2 mit einem Wälzlager 22 auf einer Exzenterscheibe 23 sitzt Diese Scheibe ist ihrerseits Teil der Hauptwelle 24. Mit 5 ist ein radial ausserhalb der Leisten 3a, 3b angeordnetes Auge bezeichnet für die Aufnahme eines Führungslagers 25, welches auf einem Exzenterbolzen 26 aufgezogen ist. Dieser ist seinerseits Teil einer Führungswelle 27. Am Spiralende sind in der Scheibe vier Durchtrittsfenster 6 vorgesehen, damit das Medium von einer Scheibenseite zur andern gelangen kann, um in einem nur einseitig angeordneten zentralen Auslass 13 abgezogen zu werden.
Das Gehäuse ist aus zwei Hälften 7a, 7b zusammengesetzt. 11a und 11b bezeichnen die zwei jeweils um 180° gegeneinander versetzten Förderräume, die unter Bildung der Stege 45, 46 nach Art eines spiralförmigen Schlitzes in die beiden Gehäusehälften eingearbeitet sind. Sie verlaufen von je einem am äusseren Umfang der Spirale im Gehäuse angeordneten Einlass 12a, 12b zu einem im Gehäuseinneren vorgesehenen, beiden Förderräumen gemeinsamen Auslass 13. Sie weisen im wesentlichen parallele, in gleichbleibendem Abstand zueinander angeordnete Zylinderwände auf, die wie die Verdrängerkörper der Scheibe 2 eine Spirale von 360° umfassen. Zwischen diesen Zylinderwänden greifen die Verdrängerkörper 3a, 3b ein, deren Krümmung so bemessen ist, dass die Leisten die inneren und die äusseren Zylinderwände des Gehäuses an mehreren, beispielsweise an jeweils zwei Stellen nahezu berühren. An den freien Stirnseiten der Leisten 3a, 3b und der Stege 45, 46 sind Dichtungen 9 in entsprechenden Nuten 30 eingelegt. Mit ihnen werden die Arbeitsräume gegen die Seitenwände des Gehäuses resp. gegen die Verdrängerscheibe gedichtet.
Den Antrieb und die Führung des Verdrängers 1 besorgen die zwei Exzenteranordnungen 23, 24 resp. 26, 27. Die Hauptwelle ist in einem Wälzlager 17 und einem Gleitlager 18 gelagert. An ihrem aus der Gehäusehälfte 7b herausragendem Ende ist die Welle mit einer Keilriemenscheibe 19 für den Antrieb versehen. Auf der Welle sind Gegengewichte 20 angeordnet zum Ausgleich der beim exzentrischen Antrieb des Läufers entstehenden Massenkräfte. Die Führungswelle 27 ist innerhalb der Gehäusehälfte 7b gelagert.
Um in den Totpunktlagen eine eindeutige Führung des Läufers zu erzielen, sind die beiden Exzenteranordnungen winkelgenau synchronisiert. Dies geschieht über einen Zahnriemenantrieb 16. Anlässlich des Betriebes sorgt der Doppelexzenterantrieb dafür, dass alle Punkte der Verdrängerscheibe und damit auch alle Punkte der beiden Leisten 3a,3b eine kreisförmige Verschiebebewegung ausführen. Infolge der mehrfachen abwechselden Annäherung der Leisten 3a, 3b an die inneren und äusseren Zylinderwände der zugeordneten Förderkammern ergeben sich auf beiden Seiten der Leisten sichelförmige, das Arbeitsmedium einschliessende Arbeitsräume, die während des Antriebs der Verdrängerscheibe durch die Förderkammern in Richtung auf den Auslass verschoben werden. Hierbei verringern sich die Volumina dieser Arbeitsräume und der Druck des Arbeitsmittels wird entsprechend erhöht.
Die Abdichtung der Förderräume gegen die Gehäusehälften erfolgt über die genannten Dichtstreifen 9. Diese sind in den an den Stirnseiten der Leisten 3a, 3b und der Stege 45, 46 angebrachten Nuten 30 eingelegt sind.
Die nicht näher dargestellten Nuten in den Stegen 45, 46 der Förderräume verlaufen etwa parallel zu den spiralförmigen Wandungen. Die Führung der Dichtstreifen in radialer Richtung ist durch die Nutwände 31 eindeutig gegeben. Die Führung in tangentialer Richtung ist im wesentlichen nur durch die Enden 32 (wie in Fig. 2 dargestellt) der Dichtstreifennuten gewährleistet.
Gemäss der Erfindung wird die mitorbitierende Dichtstreifennut 30 des Verdrängers nun nicht mehr parallel zu den Wandungen der spiralförmigen Leisten 3a, 3b ausgeführt, sondern mäanderartig. Die Wirkung der neuen Massnahme besteht in der tangentialen Führung resp. in einer Dämpfung der tangentialen Bewegung der Dichtstreifen.
Die Dichtstreifennut wird in der Regel durch einen Zerspanungsvorgang in die Stirnseite der Verdrängerwand eingearbeitet. Hierbei wird der Verdränger am Fräswerkzeug vorbeigedreht, das Fräswerkzeug führt nur die zur Erzeugung der Spiralform notwendige radiale Zustellbewegung durch. Bei der Erzeugung der erfindungsgemässen Dichtstreifennut muss der radialen Zustellbewegung des Fräswerzeuges noch eine radiale Hin- und Herbewegung überlagert werden, was bei den heute üblichen NC-gesteuerten Bearbeitungsmaschinen kein Problem darstellt.
Auch das Einlegen der Dichtstreifen in die Dichtstreifennut ist problemlos. Da deren mäanderartiger Verlauf nur einen relativ geringen grössten Abstand von der Mittellinie der Nut aufweist, lässt sich der Dichtstreifen mühelos in die erfindungsgemässe Nut einlegen.
Der mäanderartige Verlauf der Dichtstreifennut ist im dargestellten Fall auf den in der Förderrichtung gesehen inneren, sich über etwa 150° bis 180° erstreckenden Teil der spiralförmigen Leiste 3a, 3b beschränkt.
Dem liegt folgende Überlegung zugrunde: Der mäanderartige Verlauf des Dichtstreifens bedingt einen grösseren radialen Platzbedarf; die spiralförmige Wand des Verdrängers muss verbreitert ausgeführt sein. Bei einer Verbreiterung der spiralförmigen Wände des Verdrängers auf ihrer ganzen Länge resultiert eine radiale Vergrösserung der Spiralmaschine, wenn man keine Abstriche an der Förderkapazität hinnehmen will.
In Versuchen hat sich nun gezeigt, dass es angebracht ist, die neue Mäanderform der Dichtstreifennut nur in den Abschnitten der spiralförmigen Leisten des Verdrängers anzubringen, in denen die Dichtstreifennut bei einer dem Stand der Technik entsprechenden Ausführung am meisten gefährdet ist. Dies ist gegen das auslassseitige Ende der sichelförmigen Arbeitsräume der Fall. Denn dort wird das gasförmige Arbeitsmedium, wie eingangs beschrieben, gegen den Auslass hin verdichtet, wobei die Temperatur des Arbeitsmediums ansteigt und hiermit auch die Temperatur der die Arbeitsräume begrenzenden Wände ansteigt.
Die Beschränkung der Mäanderform auf den Austrittsbereich der Spirale hat demnach zur Folge, dass die radiale Abmessung der Spiralmaschine nicht vergrössert wird; die Verdickung der spiralförmigen Leisten erfolgt nur in dem Bereich mit mäanderartiger Dichtstreifennut, und ist in radialer Richtung gegen das Maschineninnere gerichtet. Dennoch ist der sichere Betrieb des Dichtstreifens gewährleistet.

Bezugszeichenliste

1: Verdränger
2: Scheibe
3a, 3b: Leisten
4: Nabe
5: Auge
6: Durchtrittsfenster
7a, 7b: Gehäusehälfte
9: Dichtstreifen
11a, 11b: Förderraum
12a, 12b: Einlass
13: Auslass
16: Zahnriemenantrieb
17: Wälzlager
18: Gleitlager
19: Keilriemenscheibe
20: Gegengewichte
22: Wälzlager
23: Exzenterscheibe
24: Hauptwelle
25: Führungslager
26: Exzenterbolzen
27: Führungswelle
30: Dichtstreifennut
31: Nutwand
32: Ende der Dichtstreifennut
45: Steg des Förderraumes
46: Steg des Förderraumes

Claims

Verdrängermaschine für kompressible Medien mit wenigstens einem in einem feststehenden Gehäuse (7a,7b) angeordneten spiralförmigen Förderraum (11a, 11b), und einem dem Förderraum zugeordneten spiralförmigen Verdrängerkörper (1-4), der auf einem gegenüber dem Gehäuse exzentrisch antreibbaren scheibenförmigen Läufer (1) derart gehalten ist, dass während des Betriebes jeder seiner Punkte eine von den Umfangswänden des Förderraumes begrenzte Kreisbewegung ausführt, und dessen Krümmung gegenüber derjenigen des Förderraumes so bemessen ist, dass er die inneren und äusseren Umfangswände des Förderraumes an jeweils mindestens einer beim Betrieb kontinuierlich fortschreitenden Dichtungslinie nahezu berührt, wobei die an eine Seitenwand des Förderraums (11a, 11b) angrenzenden Stirnflächen des Verdrängerkörpers mit einer Nut (30) versehen sind, in der ein aus elastischem und gleitfähigen Material bestehender Dichtstreifen (9) einliegt,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Nut (30), welche den zur Abdichtung des Förderraumes in axialer Richtung notwendigen Dichtstreifen (9) aufnimmt, zumindest teilweise einen mäanderartigen Verlauf hat.
Verdrängermaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mäanderartige Verlauf der Dichtleistennut (30) auf den in Förderrichtung betrachtet inneren, sich über ca. 150° erstreckenden Teil des Verdrängerkörpers (1-4) beschränkt ist.